基于DSP的电能质量分析仪系统研究*

2011-11-11郭玉良

河南工学院学报 2011年6期

关键词：中断屏蔽电能

郭玉良，徐新

（1.新乡供电公司，河南新乡 453000;2.中国石油化工股份有限公司河南石油分公司，河南郑州 450016）

1 引言

电力系统遭受着各种各样的干扰，这些干扰来自于电力设备。电磁干扰对电力系统的工作造成了危害，会使电力系统无法正常工作。电能质量的问题引起了越来越多的关注。

电能质量的监测直接影响到电能质量污染的治理效果，各种类型电能质量分析仪是电能质量监测的关键仪器。初期的监测装置大多是由单片机来实现的，随着有强大数字运算能力的DSP芯片的广泛应用，电能质量监测技术得到了新的发展［1］。

2 硬件系统设计

电能质量分析仪是一个数据采集处理系统，市电电压、电流等参数通过传感器采集进来，通过信号调理电路进行放大滤波等处理，送入高精度AD转换器AD73360转换为数字信号，传送到DSP芯片进行运算处理，最后处理结果通过GPRS进行无线网络传输给上位机进行进一步的处理、管理和存储［2］。本系统主要由信号采集模块、信号调理模块、锁相模块、DSP数据处理模块和通信接口模块组成。本系统硬件框图如图1所示:

图1 硬件系统框图

2.1 DSP 控制器

根据系统数据计算速度和计算量的要求，本系统采用美国TI公司32位定点DSP芯片TMS320F2812作为系统的控制器。它既具有数字信号序列的快速蝶形运算能力，又具有强大的事件管理能力和丰富的中断系统，适用于大量数据处理嵌入式测控系统［3］。

2.2 信号调理电路

信号调理电路主要功能是将模拟信号经过滤波、放大、偏置等环节的处理，调整到适合 A/D转换器输入的范围和属性。调理电路由霍尔传感器电路、低通滤波电路和偏置电路组成。霍尔传感器电路将市电二次侧的电压和电流转换为弱电模拟信号;由于该信号中含有高频分量，影响A/D采样过程，所以要通过低通滤波电路将信号中的高频分量进行滤除，以满足A/D采样要求;此外还要通过偏置电路，将互感器输出的双极性交流信号转换为适合A/D输入的单极性信号。

2.3 锁相模块

本系统采取了严格的防干扰措施来防止扰动的影响。原始输入信号是以A相电压信号作为生成触发采样信号的，信号经过一个截止频率为60Hz低通滤波器，以此减少高频杂波，提高信号质量;然后经过一个具有迟滞比较功能的电压比较器，通过设置参数，可使输出的矩形波信号在大于零的某个值处跳变。该信号输出分成两个支路，一路做锁相环的输入，以生成A/D采样时钟信号;一路做TMS320LF2812的EV1输入以计算电网的频率。

2.4 A/D采样电路设计

本系统设计方案中要求对市电三相电压信号和电流信号同时进行采样，以保障系统的精确性，故选用AD公司的AD73360芯片作为模拟采样器件。AD73360具有6个16位模拟量输入通道，这6个通道可同时启动进行采样，转换结果存放在存储器中，由控制器分别读取，从而有效地消除了由于采样时间不同而产生的相位误差。各个通道的采样频率可以由控制字在 8kHz、16kHz、32kHz和 64kHz中进行设定，各通道可以允许从直流到4kHz的模拟信号输入。由于各通道都有内置的反混迭滤波器，所以对其输入端反混迭滤波器的要求大为降低，所以仅需一阶 RC滤波器即可［4，5］。

图2 TMS320F2812结构框图

2.5 GPRS 通信模块

DSP处理器经过运算产生的电压电流的幅值和相位参数通过GPRS通信模块上传给上位机进行管理和存储。本系统采用SIM300C实现GPRS功能，SIM300C主要特点:该模块尺寸小、功耗低，内嵌强大的TCP/IP协议，提供通用的AT控制命令［6］。如图3所示。

图3 通信模块的构成框图

3 软件系统设计

系统的软件部分采样结构化、模块化的设计方案。软件从功能上可以分为两大部分，一是跟硬件有密切关系的程序模块，包括DSP内置模块电路的初始化和工作流程模块，外部电路的驱动和衔接流程，这些程序模块完成对硬件的底层操作，实时性要求高，在中断处理模块中完成。二是与硬件无关的应用程序，实时性要求不高，包括谐波分析的算法程序等，在系统主循环中完成。

3.1 系统主程序设计

在系统加电启动后，DSP首先进行系统初始化，然后进入循环结构，同时等待中断。系统初始化包括DSP芯片内部数据和各个模块的初始化、A/D通道初始化、SCI串口初始化等。循环中依次进行数字滤波、谐波分析、三相有效值的计算、功率及功率因数的计算，最后还有参数上传。如图4所示。

3.2 中断处理模块

中断程序主要有定时器中断服务子程序、捕获中断服务子程序、A/D采样中断子程序以及串口中断服务子程序等组成。作为一个适合实现控制功能的DSP芯片，TMS320F2812具有两级中断向量的中断管理结构和大量的中断源，可以满足芯片内置模块工作和外部扩展其他硬件电路大量的硬件中断请求。TMS320F2812通过外围中断扩展控制器(PIE)，用12个可屏蔽核心中断来管理外围中断。中断产生时，TMS320F2812在处理完比较的指令后会立即对中断申请进行相应，然后对中断源进行识别。如果是可屏蔽中断，则首先要检查中断源对应的屏蔽位是否屏蔽了该终端;对于外设服务的终端要接着检查PIE模块对应的屏蔽位是否被屏蔽，最后还要检查该终端对应的CPU级终端是否被屏蔽。根据相应情况决定是否响应。响应中断时，CPU先进入 ISR，再根据外围中断所具有的中断矢量，再转到相应的SISR服务程序。如图5所示。